以高能中子（平均能量≥0.1兆电子伏）维持链式反应，燃料转换比大于1（即新生的易裂变核素大于链式反应消耗的易裂变核素）的反应堆称作快中子增殖堆。一般是以液态金属为冷却剂流经燃料元件带走热量，所以又称液态金属快中子增殖堆。简称快堆。

为了保持高能中子谱，快堆内不能人为地加入慢化剂，需要使用传热性能好，又几乎无慢化作用的冷却剂。通常选择液态金属钠（Na）作冷却剂。液态金属钠作冷却剂的优点是沸点高，传热性能好，比热大；可在低压下使用，且反应堆停堆后，通过钠自然对流冷却可把衰变热导出堆芯外。缺点是与空气和水易发生化学反应，对燃料和包壳有腐蚀作用，不具有透明性，一旦发生沸腾或有气体进入会发生空泡效应；停堆后为保持钠的流动性还需加热等。

可供快堆选择的燃料有合金型燃料，如铀钚锆（U-Pu-Zr）合金；陶瓷型燃料，如(U,Pu)O₂、(U,Pu)C和(U,Pu)N。

金属型燃料具有高的金属原子密度和热导率，因而能提高增殖性能，缩短倍增时间。利用铀合金作为快堆燃料已取得成功。金属铀在辐照和热循环下的相变和严重肿胀，以及金属铀在万一包壳破裂时与冷却剂的剧烈化学作用，可通过采用铀锆合金来解决。

大多数快堆采用混合型氧化物(U,Pu)O₂燃料。这种燃料熔点高，与包壳和冷却剂相容性好，辐照稳定性以及对裂变产物的包容能力较好。缺点是金属原子密度低，热导率低，其中氧原子具有慢化效应等。

混合氧化物燃料的成分和性能随燃耗的加深发生明显的变化，如U/Pu比的变化和氧势的增加。要严格控制燃料的化学成分为亚化学计量，以改善燃料与包壳的相容性。固态裂变产物和没有释放的气体裂变产物使燃料体积增加。例如，在燃耗为10%FIMA时，燃料体积将增加6%～10%，所以必须选择合适的有效密度调节燃料肿胀。此外，混合氧化物燃料中温度梯度陡峭（高达10⁴℃/厘米），引起燃料重结构和裂变产物、锕系元素和氧的重新分布。

碳化物燃料与氧化物燃料相比，除了金属原子密度和导热系数高以外，几乎与钠不发生化学反应，允许用钠作结合层，显著地改善燃料与包壳间的传热性能。但是要严格控制其化学计量，以改善燃料与包壳、钠的相容性和抗辐照肿胀性能。碳化物燃料缺乏足够高的燃耗和高温下的辐照数据。氮化物燃料与碳化物燃料相似。

铀-238吸收一个中子可转化为核素钚-239。钚既可作快堆燃料，又可作热堆燃料，代替热堆中的部分铀-235。但是钚最有经济意义的应用是在快堆中。钚-239在快堆中产生的比消耗的多，可实现燃料增殖。辐照后的燃料可通过化学处理使其中的钚和铀-238分离，钚又可返回堆中作燃料。快堆中应用钚可使铀燃料的利用率提高到60%～70%，如果只有热堆，铀燃料的利用率仅约1%。

主要有铁基合金（奥氏体和铁素体不锈钢）、镍基合金和钒基合金。

奥氏体不锈钢的中子吸收截面低，高温机械特性、抗腐蚀和抗肿胀等综合性能好。运行的实验快堆和原型快堆几乎都使用316类奥氏体不锈钢。但奥氏体不锈钢受到的快中子注量超过某一值（阈值）时产生肿胀。为改进奥氏体不锈钢的抗肿胀性能，可在钢中加入微量稳定化学元素钛（Ti）和铌（Nb）或其他元素，或者对不锈钢包壳进行一定量（15%～20%）的冷加工。

铁素体不锈钢由于是体心立方结构，且不含镍元素，故不产生氦气（He），材料不易发生肿胀，但高温强度不如奥氏体不锈钢。正在研究既无肿胀又具有良好高温性能的氧化物弥散强化（ODS）合金。它是在铁素体钢中加入弥散型氧化物而成。但这类材料在堆上使用，还有一些问题（如辐照脆化问题）需要研究解决。

镍基合金的高温强度比奥氏体钢好，但中子吸收截面高，抗钠腐蚀性较差，故应用较少。

钒基合金的高温强度高于奥氏体钢，但与液态钠相容性差，高温下与氧化物燃料相容性更差，已停止研究。

快堆的燃料元件采用组件结构。燃料组件通常由数十到数百根燃料棒按正三角形排列成棒束，然后装入六角形外套管构成。

快堆燃料组件采用细棒束、密集栅排列，以提高堆的质量比功率和体积比功率，改善增殖性能和燃料循环的经济性。燃料棒的活性燃料段上下有一段增殖材料（贫化的UO₂），以提高增殖比。燃料工作温度高，燃耗深，大部分裂变气体从燃料基体内释放，为了降低棒内压力，在燃料棒上方或下方有一段较长的空腔。